انرژی امواج دریا که هر دو نوع انرژی جنبشی و پتانسیل را شامل می‌شود، در پهنای وسیعی از سطح اقیانوس‌ها گسترده شده است و در مقادیر زیاد وجود دارد. در نتیجه لازم است فناوری بهره‌برداری از آنها به‌طور اقتصادی توسعه یابد.
مواد و روش‌ها
اگرچه طرح‌های بسیار زیادی برای بهره‌برداری از انرژی امواج ارائه شده‌اند، ولی تنها تعداد کمی آزمایش و ارزیابی شده‌اند. وسایل گوناگونی برای تبدیل این انرژی‌ها به شکل‌های دیگر انرژی مشابه حرکت مکانیکی و فشار مایع وجود دارند، که به دو دسته وسایل درجه بزرگ داخل دریا و وسایل درجه کوچک ساحلی تقسیم می‌شوند. بیشترین پیشرفت مربوط به وسایل درجه بزرگ داخل دریا بوده است. طرح‌های تولید انرژی امواج در دو طبقه‌بندی عمومی ثابت و شناور قرار می‌گیرند. طبقه‌بندی دیگری که برای روش‌های استفاده از انرژی امواج وجود دارد، بهصورت زیر است:
الف- طرح‌های نسل اول: فناوری‌های مطرح شامل ستون آب نوسان‌کننده و کانال متقارب که معمولاً به‌طور ثابت در خط ساحلی نصب می‌شوند، طرح‌های نسل اول نامیده می‌شوند.
ب- طرح‌های نسل دوم: این طرح‌ها شامل جذب‌کننده‌های نقطه‌ای، مانند سامانه‌های شناور می‌باشند که برای استفاده در شرایط امواج نسبتاً کم، مانند دریای مدیترانه مناسب هستند.
ج- طرح‌های نسل سوم: اجسام شناور داخل دریا مانند دوک سالتر که قادر به برداشت انرژی از امواج خیلی قوی آب‌های عمیق هستند، در طرح‌های نسل سوم جای می‌گیرند که باید در آینده توسعه یابند.
طرح‌های تولیدی ثابت:
این طرح‌ها که به طرح‌های خط ساحلی هم معروف هستند، در کف دریا یا ساحل بهصورت ثابت نصب می‌شوند و دارای مزایای نصب و نگهداری آسان، عدم احتیاج به مهار آب‌های عمیق و کابل‌های الکتریکی بلند زیر آبی می‌باشند. وجود امواج کم انرژی در خط ساحلی، تا اندازه‌ای با تمرکز انرژی امواج که به‌طور طبیعی در برخی محل‌ها اتفاق می‌افتد، جبران می‌شود. تعدادی از این طرح‌ها در سطح جهانی اجرا شده‌اند، ولی هیچ‌کدام مقدار قابل توجهی الکتریسیته را تولید نمی‌کنند و از طرفی تعداد محل‌های مناسب برای نصب آنها نیز محدود است. چند نوع از طرح‌های ثابت عبارت هستند از: ستون آب نوسان‌کننده، کانال متقارب، طرح پاندولی و... که در ادامه تشریح می‌شوند.
ستون آب نوسان‌کننده (Oscillating Water Column):
ستون آب نوسان‌کننده (OWC) شامل یک بنای بتنی یا فولادی است که پایین‌تر از سطح آب یک دریچه دارد و از طریق آن امواج وارد ستون می‌گردند. وقتی موج وارد ستون می‌شود هوای داخل آن را به سمت بالا می‌راند و در اثر این رانش هوا، توربینی که در مسیر آن قرار دارد به گردش در می‌آید. OWC دو نوع باز و بسته دارد.
در OWC باز، قسمت بالای ستون باز است و هوا پس از رانش از طریق این دریچه به اتمسفر راه می‌یابد. لذا توربین این طرح تنها در یک جهت می‌چرخد. این طرح روی سطح اقیانوس شناور است.
در OWC بسته، قسمت فوقانی ستون بسته است و الکتریسیته را در یک فرآیند دو مرحله‌ای تولید می‌کند. به این صورت که وقتی موج در ستون وارد می‌شود، هوا را به سمت بالا می‌راند و چون هوا راه خروج ندارد، فشار داخل ستون بالا می‌رود. زمان عقب‌نشینی موج، هوا به‌دلیل کاهش فشار در پایین ستون به عقب کشیده می‌شود، لذا هوا در این نوع ستون هم در جهت بالا و هم در جهت پایین جریان دارد که باعث چرخش توربین در دو جهت مخالف هم می‌گردد. اختلاف یک OWC بسته و باز در این است که OWC بسته در داخل اقیانوس غوطه‌ور است و در کف اقیانوس ثابت می‌شود و به‌جای استفاده از انرژی امواج که مستقیماً بر طرح تأثیر می‌گذارد از اختلاف فشار بین دو سر موج استفاده می‌کند.
شکل 1: ستون آب نوسان‌کننده باز (راست) و بسته (چپ)
کانال متقارب (Tapered Channel):
کانال متقارب یا سامانۀ کانال باریک شونده،شامل یک کانال به‌تدریج باریک شونده با دیوارهایی به ارتفاع ۳ تا ۵ متر بالاتر از سطح تراز آب است. امواج به انتهای پهن کانال وارد و در حین انتقال به انتهای باریک کانال ارتفاع آنها زیاد می‌شود، تا اینکه نوک امواج از روی دیوارها در یک مخزنی می‌ریزد که چندین متر بالاتر از سطح تراز دریا قرار دارد. وقتی که آب در مخزن ذخیره می‌شود، انرژی جنبشی آن به انرژی پتانسیل تبدیل می‌شود. آب ذخیره شده سپس از طریق یک توربین خاص که در ارتفاع پایین‌تری نصب شده است به دریا باز می‌گردد و باعث چرخش توربین می‌شود (شکل ۲).
متأسفانه کانال‌های متقارب برای تمامی نواحی ساحلی مناسب نیستند. محل‌های نصب این نوع سامانه‌ها بایستی امواج پیوسته و دائمی با مقدار انرژی مناسب و دامنۀ جزر و مد کمتر از یک متر داشته باشند. همچنین شرایطی همچون آب عمیق نزدیک ساحل و محلی مناسب برای ساخت مخزن باید وجود داشته باشند.
شکل ۲: نمایی از کانال متقارب
طرح پاندولی (Pendular Device):
طرح پاندولی شامل یک جعبۀ راست گوشه است که از یک طرف به دریا باز می‌شود. یک آونگ (پاندول) مسطح به بالای این قسمت باز لولا می‌شود، به‌طوری که حرکت امواج باعث تاب خوردن آن به جلو و عقب می‌شود. آنگاه این حرکت رفت و برگشتی برای به کار انداختن یک پمپ هیدرولیکی و ژنراتور استفاده می‌شود (شکل ۳).
شکل ۳: نمایی از طرح پاندولی
مبدل موج نوسانی (Oscillating Wave Surge Converter):
مبدل موج نوسانی متشکل از یک صفحۀ عمودی لولا شده به سازه‌ای پایه ثابت است. این صفحات، در اثر حرکت سرج (surge) امواج به حرکت در می‌آیند. نحوۀ استفاده از این حرکت به نوع دستگاه بستگی دارد. برای مثال در برخی نمونه‌ها، از حرکت موج برای فشرده‌سازی پیستون متصل به انتهای صفحات استفاده می‌شود. در بالای پیستون مایعی وجود دارد که با حرکت پیستون تحت فشار قرار می‌گیرد. در نهایت از نیروی این مایع تحت فشار، برای به حرکت در آوردن موتور هیدرولیکی متصل به ژنراتور استفاده می‌شود. از طرفی، مبدل‌ها با فاصله از ساحل نصب می‌شوند که استفاده از آنها مستلزم کابل‌گذاری در زیر بستر دریا بوده که منجر به افزایش هزینه‌ها می‌شود.
شکل 4: نمایی از مبدل موج نوسانی
شناورها (Floaters):
شناورها ترکیبی از طرح‌های تولیدی ثابت و شناور هستند. مجموعۀ نگهدارندۀ شناور متشکل از یک پایه ثابت متصل موج‌شکن و سرهای قایق شکل شناور است. شناورها با استفاده از فناوری مایع تحت فشار برق تولید می‌کنند. ابعاد و میزان برق تولیدی به شرایط کاری شناور بستگی دارد. محیط با امواج کوتاه و کم انرژی، نیازمند شناورهای با ابعاد کوچک ولی به تعداد زیاد است. با بیشتر شدن انرژی موج، تعداد شناورهای کمتر با وزن بیشتر استفاده می‌شود. برق تولیدی توسط شناورهای با ابعاد متوسط، حدود 10 کیلووات ساعت معادل برق مورد نیاز 10 خانه است. همچنین شرکت سازنده ادعا کرده است که شناورها می‌توانند با بازده 50 درصد برق تولید کنند، که بسیار بیشتر از سایر روش‌های تولید انرژی تجدید پذیر است.
شکل 5: نمایی از شناورها
طرح‌های تولیدی شناور:
طرح‌های شناور انرژی امواج، الکتریسته را از طریق حرکت هماهنگ قسمت شناور طرح تولید می‌کنند. در این سامانه‌ها قسمت شناور در برابر سامانۀ ثابتی که به یک توربین متصل است مقاومت می‌کند. این‌گونه طرح‌ها بر اساس حرکت موج بالا و پایین می‌روند و از این حرکت الکتریسیته تولید می‌شود. طرح‌های شناور داخل دریا از امواج قوی که در آب‌های عمیق (بیش از۴۰ متر) وجود دارند، بهره‌برداری می‌کنند. برای استخراج انرژی از امواج، ضروی است که طرح در سطح آب یا نزدیک به سطح آب قرار گیرد، لذا به مهارهای انعطاف پذیر و کابل‌های انتقال توان الکتریکی نیاز دارد. چندین طرح مختلف در سطح جهان برای تبدیل حرکت نوسانی بدنه به انرژی مکانیکی مفید مطرح شده‌اند. در ادامه برخی از این طرح‌ها شرح داده می‌شوند.
حوض پمپ سوئدی (The Swedish Hose Pump):
این طرح شامل یک حوض ارتجاعی مخصوص است (که حجم داخلی آن موقع کشیده شدن کاهش می‌یابد)، به یک شناور متصل است و بر امواج سوار می‌شود. بالا و پایین شدن شناور، حوض را می‌کشد و باعث افزایش فشار آب درون آن می‌شود. این آب پرفشار همراه خروجی پمپ‌های دیگر از طریق یک سوپاپ به یک واحد توربین مرکزی وارد می‌شود و آن را به گردش در می‌آورد.
پمپ موج مک کیب (McCabe Wave Pump):
این طرح شامل سه تختۀ شناور فولادی راست گوشه است که متناسب با یکدیگر در امواج حرکت می‌کنند. اساس طرح، اتصال صفحه ضربه‌گیر به تختۀ شناور میانی است که باعث می‌شود هنگامی که تخته‌های شناور جلویی و عقبی به نسبت تخته شناور مرکزی به‌وسیله اتصال لولایی حرکت می‌کنند، ساکن بایستد (شکل 6). انرژی از دوران نقاط لولایی توسط پمپ‌های هیدرولیکی خطی که در بین تخته شناور مرکزی و دو تخته بیرونی نزدیک لولاها حرکت می‌کنند بدست می‌آید. این طرح برای تهیۀ آب شرب (به روش تراوش معکوس) توسعه یافته است، ولی برای تولید الکتریسیته از طریق یک موتور هیدرولیکی و ژنراتور نیز کاربرد دارد.
شکل6:نمایی از پمپ موج مک کیب
مجرای توان موج شناور (The Floating Wave Power Vessel):
این طرح شامل یک سکوی فولادی دارای شیب مایل است که امواج ورودی را در داخل یک مخزن داخلی بلند جمع‌آوری می‌کند. سپس آب این مخزن از طریق توربین‌های واقع در ارتفاع پایین‌تر به دریا برمی‌گردد. از یک منظر این طرح شبیه یک TAPCHAN داخل دریا است، اما به دامنۀ جزر و مد حساس نیست.
پمپ شناور توان موج دانمارکی (The Danish Wave Power Float- Pump):
این طرح از یک جسم شناور که به پمپ پیستونی متحرک کف دریا متصل شده است، استفاده می‌کند. حرکت بالا و پایین جسم شناور باعث می‌شود که پمپ یک توربین و ژنراتور را به کار بیندازد. جریان آب از میان توربین به‌طور یک طرفه و از طریق یک سوپاپ ثابت برقرار می‌شود ( شکل ۵).
شکل 7: نمایی از پمپ شناور دانمارکی
دوک سالتر (Salter Duck):
این طرح مانند سایر طرح‌های شناور انرژی امواج، الکتریسیته را از طریق حرکت هماهنگ قسمت شناور طرح تولید می‌کند. در این سامانه قسمت مرکزی به‌وسیلۀ مهارهایی که به کف دریا متصل اند ثابت نگه داشته می‌شود. در اثر عبور امواج و برخورد آنها با قسمت برآمدگی دوک، دوک شروع به چرخش می‌کند و این چرخش به توربین مربوطه منتقل می‌گردد (شکل 8). دوک سالتر قادر به تولید انرژی بی‌نهایت کارآمد است.
شکل 8: دوک سالتر ( راست) و نحوه تثبیت آن در کف دریا ( چپ)
کلک کوکرل (Cockerells Raft):
این طرح توسط «کریستوفر کوکرل» در سال ۱۹۸۰ ارائه شد که شامل یک‌سری از کلک‌ها )تخته های چوبی(می‌باشد که توسط لولاهایی با جک‌های هیدرولیکی به هم متصل می‌شوند. وقتی که یک موج می‌آید، کلک‌ها براساس شکل موج بالا و پایین می‌روند.حرکت بالا و پایین جک‌های هیدرولیکی را فشار می‌دهد که باعث فشرده شدن مایع به داخل یک توربین هیدرولیکی برای تولید الکتریسیته می‌گردد (شکل ). همچنین در این طرح می‌توان الکتریسیته را با استفاده از هوای فشردۀ ناشی از انرژی امواج تولید کرد.
شکل 9: کلک کوکرل (یک مبدل هیدرولیکی که در شکل نشان داده نشده است، حرکت نسبی دو کلک را به انرژی قابل استفاده تبدیل می‌کند).
هواپیمای امواج (Wave Plane):
این سامانه یک طرح شناور است که به‌وسیله یک بدنۀ لنگر مانند در کف دریا مهار می‌شود و شناور را با استفاده از تانک‌های منظم پر از هوا نگه می‌دارد. سامانه هواپیمای امواج به‌دلیل وجود یک صفحه مرطوب جامد زیرین که آن را در محل ورودی آب و فقط بالای سطح آب نگه می‌دارد، بر امواج سوار نمی‌شود. آب امواج به‌وسیله یک‌سری وسایل خاص به مجموعه‌ای از مخزن‌ها جهت ایجاد گرداب برای چرخاندن یک توربین، رانده می‌شود. دریچۀ ورودی آب برای جلوگیری از ورود ماهی‌های بزرگ یا سایر اجسام شناور با استفاده از یک شبکۀ خشن فولادی بسته می‌شود. یک هواپیمای امواج کاملاً واقعی می‌تواند تا ۲۵ متر پهنا داشته و تا ۴ مگاوات برق تولید کند. در دریاها با عمق متوسط 5/1متر، بیش از ۲۰۰۰ تن آب در هر دقیقه می‌تواند از میان ماشین عبور کند. معمولاً هواپیمای امواج در سطح آب شناور است و نوک آن برای تناسب با شرایط امواج بهصورت خودکار تنظیم می‌شود و در جریان هوای بسیار شدید با استفاده از مهارهای متصل شده به کف دریا در آب فرو خواهد رفت، زیرا مانند یک جذب کنندۀ مؤثر انرژی امواج می‌باشد. همچنین این هواپیمای امواج می‌تواند به‌عنوان یک موج‌شکن حفاظتی عمل کند.
